DE2827471A1 - Fluessigkristallzelle mit einer induzierten cholesterischen phase - Google Patents

Fluessigkristallzelle mit einer induzierten cholesterischen phase

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DE2827471A1 DE19782827471 DE2827471A DE2827471A1 DE 2827471 A1 DE2827471 A1 DE 2827471A1 DE 19782827471 DE19782827471 DE 19782827471 DE 2827471 A DE2827471 A DE 2827471A DE 2827471 A1 DE2827471 A1 DE 2827471A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELISCHAPT Unser Zeichen Berlin und München YPA
78 P S 0 2 1 BRD
Plüssigkristallzelle mit einer induzierten cholesterisehen Phase -
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Displays sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt; vergl. hierzu beispielsweise die DE-OS 27 27 562.
Dotiert man einen nematischen Flüssigkristall mit einer chiralen Verbindung, dann erfährt die nematische Substanz eine charakteristische Verwindung. Ganghöhe und Drehsinn dieser Helix hängen dabei nicht nur von dem Verdrillungsvermögen ("helical twisting power") und der Konzentration des Dotierstoffes ab, sondern sind auch eine Punktion der Temperatur. Da die erwähnten Helixparameter ihrerseits wichtige Kenndaten der induzierten cholesterischen Textur wie etwa die Schwellfeldstärken für die Phasenübergänge beeinflussen, ändern sich beispielsweise auch die erforderlichen Schaltspannungen mit der' Betriebstemperatur.
Les 1 Ode /19.06.78
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Dieses Schwellspannungsverhalten wirkt sich dann nicht störend aas, wenn man das Flüssigkristalldisplay vorsorglich mit einem hinreichend hohen Spannungspegel ansteuert. Eine solche Maßnahme erhöht allerdings die Verlustleistung und ist vor allem "bei multiplexbaren Anzeigen nur sehr begrenzt zulässig, da mit Erhöhung der Schaltspannung die Gefahr des sog. ÜberSprechens zunimmt.
Es ist deshalb auch schon verschiedentlich diskutiert worden, die Schaltspannungen den Betriebstemperaturen nacbaifuhr en. Hierfür geeignete Regelkreise verlangen jedoch im allgemeinen einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand und lassen sich eigentlich nur dann relativ einfach realisieren, wenn die Schwellfeldstärken eine konstante Temperaturdrift haben. Eine solche Temperaturfunktion ist allerdings an praktisch bedeutsamen !Flüssigkristallen mit induzierter cholesterischer Phase noch nicht nachgewiesen worden, (in "Liquid Crystals and Ordered Fluids" 1970, Plenum Press, S. 419-444, wird zwar über eine linear von der Temperatur abhängige Schwellspannung berichtet; dieser Untersuchung lag jedoch ein ausschließlich aus cholesterischen Komponenten bestehendes Binär-Gemisch zugrunde).
Die Erfindung steht vor der Aufgabe, Mittel und Wege zu finden, wie bei einer Flüssigkristallschicht mit induzierter cholesterischer Orientierung die Verdrillung eine vorgegebene Tetnperaturabhängigkeit erhalten kann. Diese Temperaturfunktion soll für relativ große Temperaturbereiche festgelegt werden können und sich in relativ weiten Grenzen variieren lassen. Wichtig ist dabei, daß ein solcher Temperatur-
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+ mil; Ali
- * - YPA 78 P 8 O 2 1 BRD
verlauf einstellbar ist, der seinerseits zu einer erwünschten Temperaturabhängigkeit eines anderen Elüssigkristallparameters führt. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die im Patentanspruch 1 charakterisierte Flüssigkristsallzelle vorgeschlagen.
Wie sich die erfindungsgemäß vorgesehene Mehrfachdotierung auf das Temperaturverhalten der induzierten cholesterisehen Phase auswirkt, läßt sich anhand der folgenden Ableitung verdeutlichen.
In erster Näherung ist der Kehrwert der Helixganghöhe proportional zum Gewichtsanteil des optisch aktiven Zusatzes. Außerdem überlagern sich die Einflüsse mehrerer chiraler Dotierstoffe additiv. Demnach gilt ■ £
mit ρ = Ganghöhe, h^ = helical twisting power des i-ten Zusatzes, C^ = Konzentration des i-ten Zusatzes in
Dieser Ansatz verliert für c> 20 Gew.$ seine Gültigkeit, wenn das Additiv cholesterisch-ähnlich ist, also zu den Cholesteryl-Derivaten gehört. Pur nematisch-ähnliche chirale Zusätze, die derzeit als Dotiermittel bevorzugt werden, gilt die Eaherungsformel (1) in der
2.5 Regel im gesamten Konzentrationsbereich.
Entwickelt man nun die temperaturabhängige Größe h.. in eine Potenzreihe um die Klärpunkttemperatur oder um die mittlere Arbeitstemperatur, so erhält man
CV
A1 - 7 ^Vc. (2)
(l = "t-tELärpuoIct oder r = .*"Mittlere Arbeitstemperatur).
*im allgemeinen
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Damit läßt sich Gleichung (1) umschreiben zu
Dieser Ausdruck läßt sich umordnen zu
Unter der - im allgemeinen zulässigen — Annahme, daß der Kehrwert der von jedem einzelnen Dotierstoff induzierten Ganghöhe mit wachsender Temperatur linear fällti vereinfacht sich die Relation (4) zu
1 2
wo "bei stets 0^. ein anderes Vorzeichen als ^. hat.
Angewandt auf ein Beispiel mit zwei chiralen Dotier stoffen, liefert Formel (5)
P ' ot* c^ - ^cx +(«.fc^ ν- *äVz )r (6) (6) läßt erkennen, daß bei einer Dotierung mit zwei gleichsinnig drehenden chiralen Zusätzen die Helixganghöhe einen Temperaturverlauf nimmt, der zwischen denjenigen liegt, die die Ganghöhe bei Verwendung nur eines der beiden Dotierraittel zeigen würde. Große Veränderungen sind hier also nicht möglich. Anders verhält es sich, wenn in dem nematischen Träger ein rechtsdrehender und ein linksdrehender Zusatz gelöst sind, bei denen also die Potenzreihenkoeffizienten folgende Vorzeichen haben
<K > O <x_ < C und
-7 / 1
(In einem rechtshändigen Koordinatensystem hat ein rechtsdrehender Dotierstoff ein positives °<-. \ entsprechend ist das ^. einer linksdrehenden Komponente negativ.)
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So erhält man "beispielsweise eine temperaturunabhängige Ganghöhe, wenn gilt i *^ £\ ι -'1^2. ^2J Wählt man die Konzentration so, daß \ <Λ €Λ \-\ oL^ C1 /? dann tritt bei ~ =0 eine Helixinversion ein. Ebenso könnte man, wie leicht einzusehen, die Ganghöhe mit zunehmender !Temperatur stärker ansteigen bzw. stärker abfallen lassen als dies bei einer Dotierung mit nur einer chiralen Verbindung der Pail ist.
Eine temperaturkonstante Ganghöhe führt zu einer ebenfalls temperaturinvarianten Schwellspannung, wenn beide Größen linear miteinander zusammenhängen. Diese Beziehung trifft im allgemeinen für die Feldstärke zu, bei der eine cholesterische Phase in eine nematische Phase übergeht. Ist der Zusammenhang nicht streng linear, so könnte man unter Umständen eine konstante Schwellfeldstärke durch eine entsprechend korrigierte Temperaturfunktion der Ganghöhe gewinnen.
Die Beziehung (1) ist an sich bereits seit Jahren bekannt; vergl. beispielsweise Mol. Cryst. and Liq.. Cryst. _!£ (1971) 27. Dort findet sich auch schon der Hinweis, daß das Drehvermögen im allgemeinen temperaturabhängig ist. Ein erster Versuch zur rechnerischen Erfassung dieser lemperaturfunktion wurde in "Naturwissenschaften" (52! (1975) 436 unternommen. Die Autoren dieser Arbeit schreiben den beobachteten Temperaturverlauf dem Einfluß der Temperatur auf den Ordnungsparameter für die Molekülrotation zu; die hieraus abgeleiteten Relationen liefern aber noch keine Ergebnisse, die auch quantitativ befriedigen. In einem kürzlich veröffentlichten
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Beitrag (Mol. Cryst. and Liq. Cryst., 42 (1977) 15), der etwa den derzeitigen Kenntnisstand auf dem vorliegenden Gebiet zusammenfaßt, wird festgestellt, daß sich, erstens induzierte cholesterisch^ Texturen anders verhalten als von Natur aus cholesterisch^ Phasen und daß sich zweitens analytische Ausdrücke finden lassen, die den Temperaturgang einer induzierten Verdrillung recht genau wiedergeben, daß aber eine physikalische Erklärung dieser Punktionen noch aussteht.
Die zitierten Literaturstellen zeigen, daß das Phänomen der in Wirtssubstanzen erzwungenen cholesterischen Orientierung bereits seit längerem ein durchaus lebhaftes wissenschaftliches Interesse gefunden hat; daß man aber bisher nicht daran gedacht hatte, die beobachteten Zusammenhänge dazu zu nutzen, die Temperaturabhängigkeit der induzierten Verdrillung gezielt zu beeinflussen. Insb. fehlen jegliche Hinweise darauf, einen definierten Temperaturgang durch eine Mehrfachdotierung mit unterschiedlich drehenden Zusätzen zu erreichen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Mehrfachdotierung bringt bei einer Vielzahl von Anzeigeprinzipien Vorteile. So könnte man etwa bei einigen Phasenumwandlungseffekten (Beispiel: Reversibler Phasenübergang; Phasenübergang mit Hysterese ("Bistabil!tätseffekt"); Phasenübergang mit Speichervermögen; vergl. hierzu Proc. IEEE 57 (1969) 34 oder "Berichte der Bunsen-G-esellschaft" 2 (1974) 912) den Einschalt- und/oder Ausschalt-Schwellspannungen einen unproblematischen Temperaturverlauf geben.
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Oi
Bei Displays auf der Basis des sog. "Twisted-nematic"-Effekts ließe sich, ohne -weiteres eine temperaturkonstante Ganghöhe einstellen. Auch eine temperaturkonstante Schwellspannung ist realisierbar, und zwar umso einfacher, je kurzer die Ganghöhe im Ruhezustand der Plüssigkristallzelle ist.
DsikDar sind ferner t-unabhängige Schwellspannungen bei Displays vom dynamisch streuenden Typ oder Zellen, die mit felderzeugten Deformationen arbeiten. Und möglich erscheinen schließlich auch, temperaturstabilisierte Bubble-Domänen-Anzeigen oder Displays, bei denen die wellenlängenselektive Reflexion an verschraubten Strukturen genutzt wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Lösungsvorschlags sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Pig. 1 in einem Seitenschnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, mit einem Phasenumwandlungseffekt betriebenen Flüssigkristallanzeige;
Pig. 2 in einem Diagramm die Einschalt-Schwellspannungen des Displays der Pig. 1 und zwar für zwei verschiedene PK-Mischungen mit positiver DK-Anisotropie;
Pig. 3 in einem Diagramm für einige binäre Plüssigkristallgemische mit negativer DK-Anisotropie die Ganghöhe, und zwar normiert auf ihren Wert bei der Temperatur 300C; und
Pig. 4 die gleiche Punktion für ein Plüssigkristallgeraisch aus einem nematischen Träger und zwei unterschiedlich drehenden Zusätzen, mit dem relativen Gewichtsanteil der beiden Zusätze . als Parameter; die Mischung hat eine negative DK-Anisotropie.
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Die in Pig. 1 dargestellte·Flüssigkristallzelle enthält im einzelnen eine vordere Trägerplatte 1, eine hintere Trägerplatte 2, einen die "beiden Platten verbindenden - Rahmen 3 sowie eine Flüssigkristallschicht 4, die den vom Rahmen und den "beiden Substraten begrenzten Raum ausfüllt. Die beiden Platten sind außerdem auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils mit einem leitfähigen Belag (segmentierte Yorderelektrode mit Elektrodensegmenten 6, durchgehende Rückelektrode 7) sowie mit einer die Flüssigkristallmoleküle orientierenden Schicht 8 bzw. 9 versehen. Die Anzeige arbeitet im vorliegenden Fall mit einem Phasenumwandlungseffekt: Bei Anlegen einer hinreichend hohen Spannung wird die im Ruhezustand induzierte cholesterische Textur in eine homöotrop-nematische Orientierung überführt; bei Verringerung der anliegenden Spannung bleibt diese Phase zunächst erhalten, bis sie bei Unterschreiten eines zwei ten Schwellwertes wieder in den verdrillten Ausgangszustand zurückkehrt.
In dem geschilderten Ausführungsbeispiel besteht die Flüssigkristallschicht aus einem nematischen Träger, der von der Fa. Merck unter der Bezeichnung S 1132 vertrieben wird, und den beiden chiralen Verbindungen CB 15 und ZLI 811 der Fa. Merck. Die Substanz S 1132 ist ein Gemisch aus drei verschiedenen Phenylcyclohexanen und einem Biphenylcyclohexan. Die Strukturen der beiden Zusätze sind der Tabelle II zu entnehmen.
Die Gewichtsanteile der Dotierstoffe CB 15 und ZLI
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betragen 1-2,75 "bzw. 10,63 Gew$. Dem Diagramm der Pig. entnimmt man, daß die Einschalt-Schwellspannung (Kurve 11) in einem Temperaturbereich von etwa -3° bis +40° praktisch vollkommen temperaturunabhängig ist. Zum Vergleich:, gibt man 6,83 Gew% CB 15 und 6,33 Gew$ ZLI 811 der nematischen Substanz "E8" der Fa. Merck hinzu, dann nimmt die Einschalt-Schwellspannung geringere, zwische
(Kurve 12).
re, zwischen ca. +1O0C und +450C konstante Werte an
In Pig. 3 'ist für verschiedene Dotierstoffe, die jeweils in dem gleichen nematischen Träger ("nematische Phase 4" der Pa. Merck) gelöst sind, die auf 300C bezogene Ganghöhe in Abhängigkeit von der Temperatur eingetragen; die "nematische Phase 4" ist ein eutektisches Gemisch aus den zwei Azoxyverbindungen CEUO
ermittelten Potenzreihenkoeffizienten sind in der Tabelle I zusammengestellt. Die Tabelle II enthält Angaben bezüglich der chemischen Struktur der verwendeten chiralen Verbindungen sowie der jeweils gewählten'Gewichtsanteile.
Tabelle I > n
Gew.-fol Gew<-i· κ]
I -6,78 5,36 7,47 75,0
II . -15,4 6,94 8,65 77,3
S 996 --8,53 6,16 6,77 75,7
ZII 811 -103,0 75,3 22,5 75,3
S 1082 '19,7 -21,1 -7,35 75,4
CB 15 55,3 -22,3 0,04 75,4
C 15 '-9,94 9,88 8,17 74,9
CN -76,2 11,7 -28,5 75,9
CC -44,1 25,3 -13,6 76,0
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Tabelle II
I CH -CzZ1 -O- (Öy -CH = N ~(jQ} -CN
CH1 		2,08
5 II 1,68
S 996 J 9
C H - CH1- O - (C) -C'i-Φ}- CH 		1,57
10 ZLI 811 c# O C 0,46
15 S 1082 C4-t (I r- ■' j
s V /-U -Γ- - f- O^ —<~-f - n\-f -CH 		1,22
20 CB 15 cycy^-^-c« 0,73
C 15 %?-et-c-<£>-&-c 1,78
25 CN Cho1e s terylnonano at 0,30
CC Cho1esterylcnlorid 0,39
30
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- >t - VPA 78 ρ β ο 2 1 BRD
Die Meßkurven sowie die tabellierten Werte liefern Anhaltspunkte dafür, welche Dotierung für den Einzelfall "besonders günstig sein könnte; dabei ist allerdings zu "beachten, daß das Verdrillungsvermögen der einzelnen Dotierstoffe auch von der Beschaffenheit des Trägermaterials abhängt. Im allgemeinen sind Dotiermittel mit der stärkstennhelical twisting power* zu bevorzugen, da man hier mit den geringsten Konzentrationswerten auskommt und somit die resultierende Verdrillung durch die ITäherungsformel (1) am besten beschrieben wird.
Pig. 4 zeigt die - ebenfalls auf ihren jeweiligen Wert bei 300G normierte - Ganghöhe eines Gemisches aus der "nematisehen Phase 4" und den Zusätzen OB 15 und ZLI 811. Dabei wurde das Konzentrationsverhältnis c" der beiden chiralen Verbindungen (c* = c^jj- sii/fcgLl + Cß-g .j,-)) variiert. Den Meßkurven entnimmt man, daß sich schon geringe Änderungen des Mischungsverhältnisses sehr stark auf das Temperaturverhalten der Ganghöhe auswirken. Bei c" = 0,29 (cZLI 811=O'579 Gew.$, cGB ^ = 0.908 Gew.^) ist die Ganghöhe - sie beträgt im vorliegenden Pail 68 /um - in einem Bereich von -100O bis +600C bis auf + 3$ konstant. Erhöht man den ZLI 811-Anteil auf c" = 0,34, so wird die Ganghöhe mit wachsender Temperatur kleiner. Eine weitere Erhöhung (c" = 0,36) führt zu einer - durch eine Polstelle mit extrem steilen Planken charakterisierten - Helixinversion; und eine nochmalige geringe Steigerung (c" = 0,37) resultiert in einer mit zunehmender Temperatur relativ stark ansteigenden Ganghöhe.
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: 282747t
YPA78 P 8 02 1 BRD Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann es sich im Einzelfall empfehlen, die erwünschte Temperaturfunktion nicht nur mit zwei Dotierstoffen sondern mit mehreren rechtsdrehenden und/oder linksdrehenden Additiven zu formen. Außerdem könnte man die Flüssigkristallzelle auch mit anderen Größen als etwa der elektrischen Spannung schalten; infrage kommen beispielsweise Magnetfelder. Ganz allgemein bietet der lösungsvorschlag immer dann Vorteile, wenn man speziellen, von der Temperatur abhängigen Kenndaten des ITüssigkristalldisplays durch eine Einflußnahme auf die Temperaturfunktion der Helixparameter einen geeigneten Temperaturverlauf geben kann. So ließe sich etwa auch die Temperaturdrift eines als IG ausgeführten Ansteuerbausteins durch eine entsprechende Mehrfachdptierung des Plüssigkristails abfangen.
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Claims (12)

  1. YPA 78 P 8 O 2 1 BRD
    Patentansprüche
    rl J Flüssigkristallzelle, enthaltend eine zwischen zwei Trägerplatten eingeschlossene Flüssigkristallschicht mit einer nematischen Trägersubstanz und mindestens einem chiralen Zusatz, der in der Flüssigkristallschicht eine cholesterische, durch eine Verdrillung charakterisierte Phase induziert, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht wenigstens zwei chirale Zusätze enthält und daß diese Zusätze (rechtsdrehender bzw. linksdrehender Zusatz) bestrebt sind, in einem endlichen Temperaturbereich in der nematischen Trägersubstanz eine rechtshändige bzw. eine linkshändige Verdrillung zu erzeugen.
  2. 2. Plüssigkristallzelle nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der induzierten cholesterischen Phase in einem endlichen Temperaturbereich eine wenigstens angenähert temperaturunabhängige Ganghöhe hat.
  3. 3. Plüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der induzierten cholesterischen Phase beim Durchgang durch eine bestimmte Temperatur (T ) ihren Drehsinn ändert und bei dieser Temperatur eine unendlich große Ganghöhe hat.
    ORiGIMAL !NSPECTEu
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  4. 4. Flüssigkristalizelle nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die chiraien Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der
    . induzierten cholesterischen Phase eine Ganghöhe hat, die in einem endlichen Temperaturbereich mit wachsender (Temperatur stärker ansteigt als in Gegenwart nur eines der chiralen Zusätze.
  5. 5. Flüssigkristallζeile nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der induzierten cholesterischen Phase eine Ganghöhe hat, die in einem endlichen Temperaturbereich mit wachsender Temperatur stärker abfällt als in Gegenwart nur eines der chiralen Zusätze.
  6. 6. Plüssigkristallzelle nach Anspruch. 1, mit einer zwischen verschiedenen optischen Zuständen elektrisch schaltbaren Plüssigkristallschüit, dadurch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Einschalt-Schwellspannung und/oder die Ausschalt-Schwellspannung in einem endlichen Temperaturbereich wenigstens angenähert temperaturunabhängig sind.
  7. 7. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, mit einer zwischen verschiedenen optischen Zuständen elektrisch schaltbaren Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Einschalt-Schwellspannung und/oder die Ausschalt-Schwellspannung in einem endlichen Temperaturbereich wenigstens angenähert linear von der Temperatur abhängen.
    909883/0035
    - 3 - VPA 78 ρ g 0 2 ι BRD
  8. 8. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 Ms 7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der induzierten cholesterischen und einer nematischen Phase geschaltet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Flüssigkristallschicht zwischen zwei Idnearpolarisatoren befindet, daß die induzierte cholesterische Phase eine Verdrillung hat, deren Achse senkrecht zur Trägerplattenebene verläuft und für deren Ganghöhe gilt ρ = d/(i/4+n/2) (p = Ganghöhe, d = Dicke der Flüssigkristallschicht, η = natürliche Zahl) und daß die nematische Phase eine plattensenkrechte Vorzugsrichtung hat.
  10. 10. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der induzierten cholesterischen Phase und einer dynamisch streuenden Phase geschaltet wird.
  11. 11. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die induzierte cholesterische Phase elastisch deformiert wird.
    909883/0035
  12. 12. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkri'stallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der induzierten cholesterischen Phase und einer Phase geschaltet wird, die auch bei Verringerung oder Wegnahme der Schaltgröße bestehen bleibt.
    ^1GlMAL INSPECTED 909883/0035
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